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        吸力錨與樁錨在深水浮式平臺系泊系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

        2021-07-15 02:49:20汪智峰
        機械工程師 2021年7期
        關(guān)鍵詞:錨樁吊機系泊

        汪智峰

        (深圳海油工程水下技術(shù)有限公司,廣東深圳 518000)

        0 引言

        海洋油氣浮式生產(chǎn)平臺系泊系統(tǒng)錨固基礎(chǔ)形式的選擇主要取決于海底土質(zhì)及平臺結(jié)構(gòu)形式,主要的錨固基礎(chǔ)形式有吸力錨、樁錨、重力錨等[1-2]。傳統(tǒng)重力錨、拖曳錨由于抓重比較小且不能抵御垂直負(fù)載,限制了各類系泊系統(tǒng)的實際應(yīng)用;此外安裝過程易發(fā)生走錨,定位精度低、安全性也較差,因此難以滿足深水需求。針對我國南海的復(fù)雜情況,錨固基礎(chǔ)的選擇對我國海洋油氣資源的開發(fā)具有重要意義。

        1 2種錨固基礎(chǔ)的應(yīng)用情況

        根據(jù)不同海況、水深與地質(zhì)條件選擇合適的錨固基礎(chǔ)是至關(guān)重要的,依托目前南海在建的深水項目——流花16-2項目與陵水17-2項目,對海洋油氣生產(chǎn)平臺常用的2種錨固基礎(chǔ)的工程應(yīng)用進行介紹。

        1.1 吸力錨

        吸力錨是一個上端封閉、下端開口的圓筒,適用于深水系泊系統(tǒng)。在吸力錨使用過程中要解決的關(guān)鍵問題包括吸力錨的可沉入性研究與吸力錨的承載性能研究[3]。

        表1 我國在建典型深水項目錨固基礎(chǔ)情況

        表2 各類浮式生產(chǎn)平臺吸力錨應(yīng)用案例

        1.2 樁錨

        樁錨在張力腿平臺的系泊系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,隨著水深的不斷增加,樁錨仍然可以作為系泊基礎(chǔ),但應(yīng)用相對較少,主要原因是打樁錘的費用和打樁作業(yè)的成本會隨著水深的增加而大幅度提高,另外樁錨的水平承載能力要遠(yuǎn)低于其豎直承載能力。

        表3 各類浮式生產(chǎn)平臺樁錨應(yīng)用案例

        2 2種錨固基礎(chǔ)安裝的關(guān)鍵設(shè)備

        2.1 用于吸力錨安裝的吸力泵

        吸力泵作為吸力錨安裝過程的關(guān)鍵設(shè)備,該設(shè)備分為ROV攜帶式和泵撬塊型水面控制式等2種類型。

        1)ROV攜帶式系統(tǒng)。深水模式安裝吸力錨通常選用ROV攜帶式吸力泵系統(tǒng)[4],同時考慮壓力和流量這2個主要技術(shù)參數(shù),其中吸力泵的最大壓力一般要達到吸力錨設(shè)計貫入壓力的2倍;而吸力泵流量要滿足設(shè)計推薦值,若吸力泵流量過小,則會影響貫入效率。

        2)泵撬塊型水面控制式。隨著對深水工程技術(shù)的研究,通過對液壓系統(tǒng)的改進及對相關(guān)結(jié)構(gòu)密封性的處理,使得泵撬塊的工作水深達到水下1500 m,而且可以從水上操控泵撬塊的各種動作,同時可以監(jiān)控泵撬塊本身的工作狀態(tài)。流花16-2項目采用了泵撬塊型水面控制式。吸力泵的型號為SAPS-008。吸力泵外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 SAPS-008吸力泵結(jié)構(gòu)圖

        2.2 用于樁錨安裝的打樁錘與導(dǎo)向架

        2.2.1 打樁錘

        按使用范圍分,有陸用、淺水用、深水用等3種系列打樁錘;按工作原理分,有單作用與雙作用等2種形式打樁錘[5]。打擊能量范圍從幾十千焦到4000 kJ。在陵水17-2項目中采用液壓打樁錘,這是一種以液壓能為驅(qū)動力,利用錘擊沉樁原理進行海上樁基施工作業(yè)的工程設(shè)備。采用MENCK MHU-500將所有樁打入61 m和64 m的設(shè)計深度,如圖2所示。除打樁錘外,還有1套備用空壓機、1套備用臍帶纜滾筒及3套備用跨接管(打樁錘與臍帶纜滾筒之間),共同構(gòu)成樁錘系統(tǒng)。

        圖2 MENCK MHU-500外觀圖

        2.2.2 導(dǎo)向架

        導(dǎo)向架主要是保證鋼樁的傾斜度和下錨鏈的方位要求,即對鋼樁進行垂直和水平方向的導(dǎo)向。按照結(jié)構(gòu)的不同,分為液壓可打開式導(dǎo)向架、筒式導(dǎo)向架與翼板式導(dǎo)向架。在陵水17-2項目中采用液壓可打開式導(dǎo)向架,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 IHC 84FF液壓可打開式導(dǎo)向架

        3 2種錨固基礎(chǔ)的安裝方法對比

        3.1 吸力錨的安裝

        3.1.1 流花16-2油田介紹

        流花16-2油田采用FPSO海洋石油119浮式生產(chǎn)平臺,其中FPSO平臺布置于420 m水深位置,9條錨腿分3組均勻分布,每組系泊錨腿間隔120°。錨固基礎(chǔ)選用吸力錨,吸力錨直徑為5.5 m,總長為15.9 m,自由貫入深度為2.9~4.9 m,最終貫入深度為15 m,總質(zhì)量為121 t。

        圖4 海洋石油119系泊系統(tǒng)平面布置圖

        3.1.2 海上施工工藝

        安裝船運輸吸力錨到達作業(yè)海域后,下放2臺ROV,通過定位測量系統(tǒng)在海底測量標(biāo)記安裝位置。吸力錨通過吊機起吊并下放,到達海底后,吸力錨先靠自重自行插入海底;沉降平穩(wěn)后,采用ROV關(guān)閉泄放閥,通過吸力泵將吸力錨內(nèi)的水抽出,使其下降[6]。詳細(xì)的安裝工藝如下:1)海床預(yù)調(diào)查及吸力泵下放前檢查測試。2)組裝吸力泵和吸力錨,甲板操作液壓泵裝置(HPU)插入鎖銷。連接甲板測試動力系統(tǒng)單元至吸力泵本體,打開吸力泵插銷和排水閥。主吊機起吊吸力泵,吸力泵緩慢插入吸力錨頂部法蘭和吊耳板,切割一半甲板焊接固定。3)解除吸力錨全部海固,吊機起吊吸力錨。4)吊機擺至右舷,將吸力錨吊出甲板,緩慢下放,當(dāng)吸力錨頂部與甲板基本平齊時,設(shè)備人員拔掉連在吸力泵上的甲板動力單元的管線(快速插拔接頭),然后吊機繼續(xù)下放吸力錨至30 m水深處。記錄吊裝過程中吊機載荷。5)ROV對吸力錨的狀態(tài)進行檢查。主要包括吸力錨吊裝索具、吸力泵鎖銷和閥門的狀態(tài)、吸力錨初始傾斜度和錨頭鏈狀態(tài)的檢查。6)吸力錨緩慢下放,調(diào)整與就位。吊機繼續(xù)下放吸力錨至距海床30 m的區(qū)域,調(diào)整船位將吸力錨移至安裝區(qū)域上方,并開啟吊機的升降補償功能。7)吊機下放吸力錨至離海底3 m處,ROV#2抓住吸力泵上的把手調(diào)整樁的艏向,以保證吸力錨的位置和方向處于可控范圍內(nèi)。ROV#1在吸力錨底部觀察觸泥情況。8)吊機繼續(xù)下放,吸力錨繼續(xù)完成自沉。當(dāng)達到自重貫入深度后,ROV#2將吸力錨頂部泄放閥關(guān)閉。ROV#2啟動吸力泵,下沉吸力錨,同時ROV#1移除在吸力錨頂部的索具。9)貫入過程ROV#2關(guān)注吸力泵面板上壓差數(shù)據(jù)和牛眼,ROV#1在一側(cè)觀察吸力樁入泥的深度。10)吸力錨持續(xù)貫入到目標(biāo)深度,完成吸力錨安裝。確認(rèn)吸力錨的位置、垂直度處于可控的允許誤差范圍之內(nèi)。

        圖6 吸力錨水下貫入示意圖

        圖7 半潛平臺系泊系統(tǒng)平面布置圖

        3.2 樁錨的安裝

        3.2.1 陵水17-2項目介紹

        圖8 半潛平臺系泊系統(tǒng)樁錨基礎(chǔ)總體設(shè)計圖

        陵水17-2氣田采用半潛式浮式生產(chǎn)平臺,采用4×4張緊式系泊系統(tǒng),共有16根“鏈+聚酯纜+鏈”系泊纜均勻地布置在平臺四周。其中半潛平臺水深為1422 m,樁錨直徑為2.134 m,總長為65.5/68.5 m,自由貫入深度為10~14 m,最終貫入深度為61/64 m,樁錨總質(zhì)量為157/162 t。

        3.2.2 海上施工流程

        此次海上安裝作業(yè)使用的主要施工資源為:1條主作業(yè)船(配有400 t深水吊機,2臺3000 m級ROV),2條運輸駁船和樁錨安裝的專用設(shè)備(打樁錘、導(dǎo)向架、船側(cè)懸掛平臺和打樁錘防扭裝置)等。采用的專業(yè)施工技術(shù)包括水下定位、錨樁水下扶正等。通過運輸駁船進行錨樁運輸,主作業(yè)船在錨樁安裝位置就位后,運輸駁船靠泊主作業(yè)船進行錨樁起吊。樁錨安裝工藝如下:1)準(zhǔn)備工作及預(yù)調(diào)查。準(zhǔn)備工作包括ROV、導(dǎo)向架、打樁錘、運輸駁船、主作業(yè)船。進行海床坡度測量、導(dǎo)向架/樁位置的測量及錨點附近30 m以內(nèi)垃圾清理;安裝并校準(zhǔn)定位測量系統(tǒng)。2)提前在水下進行LBL定位基陣安裝,由吊機下放導(dǎo)向架,2臺ROV監(jiān)測導(dǎo)向架的艏向和垂直度。通過ROV調(diào)整導(dǎo)向架的位置。3)作業(yè)船吊機將錨樁從運輸駁船起吊。錨樁下放就位至導(dǎo)向架中心套筒頂部架喇叭口0.5 m上,通過ROV調(diào)整錨樁艏向,吊機下放錨樁沿著中心套筒喇叭口進入導(dǎo)向架內(nèi)部。4)主作業(yè)船下放打樁錘,下放到距離錨樁5 m時停止,此時吊機開啟自動升降補償功能,樁錘以0.1 m/s的速度插入錨樁。5)打樁作業(yè)。當(dāng)錨樁頂部到達導(dǎo)向架頂部高度時,導(dǎo)向架自動打開,繼續(xù)打樁到打樁設(shè)計深度。6)回收打樁錘。在進行下一打樁任務(wù)前,回收打樁錘至150 m水深。7)回收導(dǎo)向架。下放400 t吊機鉤頭至海底,用ROV將ROV鉤與導(dǎo)向架回收索具進行連接,在打樁作業(yè)結(jié)束前,400 t吊機吊著導(dǎo)向架保持在距海床50 m處。并不斷調(diào)整船舶艏向,使回收過程中導(dǎo)向架與快速公接頭的位置與錨腿路由對齊。8)快速公接頭臨時放置于錨樁頂部。調(diào)整船舶位置及艏向,用100 t吊機將快速公接頭以0.1 m/s的速度放回錨樁頂部。9)移船至下一打樁位置。此時,100 t吊機吊著快速接頭濕存架在距離海床150 m處,400 t吊機吊著導(dǎo)向架在海床以上50 m處,樁錘被回收至150 m水深處的可傾斜的鋪設(shè)系統(tǒng)(TLS)中。保持導(dǎo)向架與快速接頭濕存架的最大間距。

        圖9 打樁錘吊裝下放示意圖

        4 2種錨固基礎(chǔ)的風(fēng)險性和應(yīng)用對比

        具體風(fēng)險分析與應(yīng)對措施如表4所示。

        表4 吸力錨和樁錨工程應(yīng)用中的風(fēng)險性對比

        5 結(jié)語

        由于2種錨固基礎(chǔ)的工作原理和安裝工藝存在差異,因此在實際工程應(yīng)用中會因為施工關(guān)鍵設(shè)備和施工作業(yè)的不同產(chǎn)生不一樣的施工風(fēng)險。對2種錨固基礎(chǔ)在陸地建造、安裝資源配置、安裝效率等方面進行分析對比總結(jié),從而可以對吸力錨與樁錨2種錨固基礎(chǔ)的選擇和應(yīng)用有更好的理解??傮w而言,吸力錨基礎(chǔ)形式在安裝風(fēng)險、安裝效率及經(jīng)濟性方面均存在一定優(yōu)勢。

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